DE102014107036A1

DE102014107036A1 - Gelenklager mit beschichteter Titankugel

Info

Publication number: DE102014107036A1
Application number: DE102014107036.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Harter
Original assignee: Hirschmann GmbH
Current assignee: CARL HIRSCHMANN GMBH, DE
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: DE102014107036B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gelenklager mit einer Büchse aus einem ersten Material, einen von der Büchse umschlossenen und in der Büchse drehbar angeordneten Innenring aus einem zweiten Material, welches eine Beschichtung auf der der Büchse zugewandten Oberfläche aufweist und einem zwischen dem Innenring und der Büchse angeordneten Gleitmittel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gelenklager, insbesondere ein Gleitlager, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gelenklager, wie beispielsweise Gleitlager, Kugellager oder Wälzlager, sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Sie werden verwendet, wenn beispielsweise rotierende Maschinenbauteile in lokal festen Trägereinrichtungen drehbar gehaltert werden sollen.
Die DE 10 2011 077 735 A1 offenbart beispielsweise ein Gelenklager mit einem ersten Lagerteil und einem relativ zu dem ersten Lagerteil gleitgelagerten zweiten Lagerteil, wobei mindestens eines der Lagerteile aus Kunststoff als Grundwerkstoff gefertigt ist und einen eine Gleitfläche bildenden metallischen Überzug aufweist. Ein solches Gelenklager ist sehr leicht und kann besonders rationell hergestellt werden. Es ist jedoch hohen Beanspruchungen nicht gewachsen.
Die US 7,165,890 B2 offenbart ein Gelenklager mit einem Innenring aus einer Titanlegierung, der mit einer Titannitridbeschichtung versehen ist, die gleichzeitig als Gleitfläche für die Büchse dient, wobei die Büchse aus Kupferberyllium besteht. Kupferberyllium ist ein sehr hartes Material, welches sehr giftig ist. Daher müssen insbesondere bei seiner Herstellung und bei seiner Bearbeitung extrem hohe Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Die Herstellung solcher Gelenklager ist daher sehr aufwändig.
Um hoch belastbare Gelenklager beziehungsweise Gleitlager herzustellen, werden daher meist konventionell hergestellte Lager mit Edelstahlbüchsen verwendet, die entweder einen hartverchromten Innenring aufweisen oder bei denen der Innenring aus keramischem Material besteht. Konventionelle Lager mit Edelstahlbüchse und hartverchromtem Innenring sind relativ schwer und für höchste Belastungen und Lebensdauer nicht ausgelegt. Keramiklager auf der anderen Seite, die für höchste Belastungen und Lebensdauer ausgelegt sind, sind sehr aufwändig in der Herstellung, weisen ein hohes Gewicht auf und sind dazu sehr teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gelenklager, beziehungsweise ein Gleitlager, bereitzustellen, welches diese Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gelenklager nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Das erfinderische Gelenklager weist eine Büchse aus einem ersten Material auf sowie einen von der Büchse umschlossenen und in der Büchse drehbar angeordneten Innenring aus einem zweiten Material, welches eine Beschichtung auf der der Büchse zugewandten Oberfläche aufweist. Um Gewicht zu sparen, ist das erste Material, also folglich die Büchse dabei aus einem Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung.
Unter einem Leichtmetall sollen in diesem Zusammenhang allgemein ein Metall verstanden werden, dessen Dichte unter 5 g/cm³ liegt. Eine Leichtmetalllegierung ist eine metallische Legierung, deren Dichte unter 5 g/cm³ liegt. Leichtmetalle sind beispielsweise Aluminium, Titan, Magnesium oder Calcium. Zu den Leichtmetallen zählen sämtliche Alkalimetalle, sowie beispielsweise auch Scandium oder Yttrium.
Zwischen dem Innenring und der Büchse ist vorteilhafterweise ein Gleitmittel angeordnet. Dieses Gleitmittel ist insbesondere eine Folie, beziehungsweise eine Gleitfolie. Die Folie ist dabei vorzugsweise eine Kunststofffolie oder eine Kunststoff aufweisende Folie. Die Oberfläche der Gleitfolie, sowie die auf ihr reibende Oberfläche des Innenrings sind sehr glatt, sodass bei einer Drehung des Innenringes relativ zur Büchse nur ein sehr kleiner Reibwiderstand überwunden werden muss, was den Vorteil hat, dass sich das Gelenklager im Betrieb nicht allzu sehr erhitzt. Die Verlustleistung bleibt gering und die Bewegungsenergie kann nahezu vollständig übertragen werden. Dadurch, dass zwischen der Büchse und dem Innenring eine Gleitfolie angeordnet ist, kann auch der Verschleiß des Lagers gering gehalten werden.
Damit sich die Gleitfolie nicht aus der Hülse herausdrehen kann, wenn sich der Innenring in der Büchse dreht, kann zwischen der Folie und der Büchse eine Klebeschicht angeordnet sein, mit welcher die Folie an die Büchse klebbar oder geklebt ist. Dabei kann beispielsweise ein thermisch aktivierbarer Kleber verwendet werden, der, um seine Klebewirkung zu entfalten, beispielsweise auf Temperaturen zwischen 100°C und 180°C erwärmt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der Folie und der Büchse eine Metallgewebeschicht angeordnet sein, die mit der Folie verbunden ist und die die Büchse kontaktiert. Das Material, aus welchem die Metallgewebeschicht besteht, ist vorteilhafterweise härter als das Material, aus dem die Büchse besteht. Auf diese Weise kann sich das Metallgewebe in die Oberfläche der Büchse eindrücken und eine Verkrallung bewirken, die die Gleitfolie drehfest mit der Büchsenoberfläche verbindet, sodass, wenn sich der Innenring dreht, die Gleitfolie nicht mitgedreht beziehungsweise mitbewegt wird. Dadurch kann möglicherweise sogar auf ein Kleben der Gleitfolie auf die Büchse verzichtet werden.
Alternativ könnte die Gleitfolie auch beispielsweise zwischen zwei an der Büchse angeordneten, z.B. ringförmig am Rand des Innenringaufnahmeraums verlaufenden Nuten geführt gehalten werden. Auch dadurch könnte verhindert werden, dass sich die Gleitfolie aus der Hülse herausdrehen kann, wenn der Innenring sich in der Büchse dreht. Ein drehfestes Verbinden der Gleitfolie mit der Büchsenoberfläche könnte dann möglicherweise unterbleiben.
Die Metallgewebeschicht bzw. das Metallgeflecht ist in einer bevorzugten Ausführungsform in die Gleitfolie eingebettet. Auf diese Weise ist die Metallgewebeschicht immer fest mit der Gleitfolie verbunden. Die Klebeschicht kann auf der Gleitfolie, beispielsweise auf der Rückseite der Gleitfolie aufgetragen sein.
Bei der Herstellung des Gelenklagers ist das erste Material vorteilhafterweise kaltumformbar, wobei das Material ein Metall oder eine metallische Legierung ist. Dadurch kann die Herstellung des Gelenklagers vereinfacht werden, der Herstellungsprozess wird dadurch aufwandgünstiger. Sobald der Innenring in der Büchse aufgenommen worden ist, kann die Büchse durch einen Kaltumformprozess so verformt werden, dass der Innenring nicht mehr aus der Büchse herausgenommen werden kann. Ein Erhitzen des Gelenklagers, um den Umformprozess zu initiieren, ist in diesem Fall nicht notwendig. Um Gewicht zu sparen, ist die Büchse dabei vorzugsweise aus einem Leichtmetall.
Bevorzugt ist daher das erste Material, also das Büchsenmaterial, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, während das zweite Material, beziehungsweise das Innenringmaterial, aus Titan oder einer Titanlegierung besteht. Titan ist ein sehr hartes und gleichzeitig sehr leichtes Material, während Aluminium ein sehr weiches und daher leicht kaltumformbares Material ist. Das Gewicht des Gelenklagers kann durch Verwendung dieser Materialien auf nahezu die Hälfte des Gewichtes eines vergleichbaren konventionellen Edelstahllagers reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Büchse aus einer Titanlegierung mit der Bezeichnung EN AW 6082 T6 gefertigt wird, während der Innenring besonders vorteilhafterweise aus einer TiAl6V4-Legierung besteht.
Um besonders hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten zu können, wird der Innenring in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer DLC-Beschichtung (diamond like carbon) versehen.
Das Gelenklager kann ein einfaches Gelenklager mit nur einer Drehachse sein, es kann jedoch auch ein Gelenklager sein, das um wenigstens zwei unterschiedliche Drehachsen relativ zur Büchse drehbar ist. Das Gelenklager ist daher beispielsweise ein Kugelgelenklager. Der Innenring ist dabei vorteilhafterweise als eine Kugelkalotte ausgebildet und weist vorzugsweise eine zylindrische Durchgangsöffnung auf. Ein Gelenklager, bei dem der Innenring um wenigstens zwei unterschiedliche Drehachsen relativ zur Büchse drehbar ist, hat den Vorteil, dass geringe axiale Ungenauigkeiten beim Drehen des Innenringes besser ausgeglichen werden können, sodass der Verschleiß des Gelenklagers minimiert wird. Andererseits kann dadurch beispielsweise eine Drehbewegung um eine erste Achse auf eine Drehbewegung um eine, in eine andere Richtung verlaufende zweite Achse übertragen werden.
In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Büchse des Gelenklagers aus einem Material gefertigt, das einen Aluminiumanteil von wenigstens 90% aufweist, während der Innenring des Gelenklagers aus einem Material gefertigt ist, welches einen Titananteil von wenigstens 75%, höchstens jedoch 98%, vorzugsweise höchstens 96% und wenigstens 80% aufweist.
Die dem Innenring zugewandte Oberfläche der Büchse ist vorteilhafterweise aufgeraut, vorzugsweise ist sie sand- oder glasgestrahlt, damit der Kleber, der die Gleitfolie mit der Büchse drehfest verbinden soll, besser an dem Büchsenmaterial haften kann. Eine aufgeraute Oberfläche kann auf der anderen Seite auch eine bessere Verkrallung eines zwischen der Gleitfolie und der Büchse angeordneten Metallgeflechtes bewirken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Gelenklagers,
2 einen Schnitt durch das erfinderische Gelenklager entlang der Schnittlinie A-A.
1 zeigt ein Gelenklager 1 mit einer Büchse 2, einen von der Büchse 2 umschlossenen und in der Büchse 2 drehbar angeordneten Innenring 4 mit einer zylindrischen Durchführung 5. Der Innenring 4 ist als eine Kugelkalotte ausgebildet.
2 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch das Gelenklager 1. Der Innenring 4 ist in der Büchse 2 drehbar aufgenommen und von der Büchse 2 gehaltert. Er weist vorliegen eine kugelschalenförmigen Innenkontur auf. Zwischen der Büchse 2 und dem Innenring 4 ist eine Gleitfolie 6 angeordnet, die auf ihrer der Büchse 2 zugewandten Oberfläche eine Klebeschicht 8 aufweist, mit welcher die Gleitfolie 6 mit der Büchse 2 verklebt ist. Der Innenring 4 weist eine Oberflächenbeschichtung 10 auf.
In die Durchführung 5 kann beispielsweise eine Gewindestange geklemmt werden und drehfest mit dem Innenring 4 verbunden werden. Wenn sich der Innenring 4 relativ zu der Büchse 2 dreht, gleitet die der Büchse 2 zugewandte Oberfläche der Beschichtung 10 über die dem Innenring 4 zugewandte Oberfläche der Gleitfolie 6. Die reibungsarme Oberfläche der Gleitfolie 6 sorgt dafür, dass die Drehbewegung nahezu reibungswärmeverlustfrei erfolgt. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium viel höher ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Titan, verringert sich, wenn sich die Büchse 2 aufgrund von übertragener Reibungswärme ausdehnt, der Reibungswiderstand zwischen der Gleitfolie 6 und der Beschichtung 10. Daher ist in den bevorzugten Ausführungsformen die Büchse 2 aus einem Material, das einen höheren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material, aus welchem der Innenring 4 gefertigt ist.
Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. So kann beispielsweise anstatt der Klebeschicht 8 ein Metallgeflecht 8 zwischen der Gleitfolie 6 und der Büchse 2 angeordnet sein, welches beispielsweise fest mit der Gleitfolie 6 verbunden sein kann. Natürlich ist es auch möglich, dass sowohl eine Klebeschicht als auch ein Metallgeflecht zwischen der Gleitfolie 6 und der Büchse 2 angeordnet ist, oder dass die Gleitfolie 6 in einer in der Büchse 2 ausgebildeten, den Innenring umlaufenden Nut geführt wird. Dem Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Gelenklager, Gleitlager
2: Büchse
4: Innenring
5: Durchführung
6: Gleitfolie
8: Metallgeflecht, Klebeschicht
10: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011077735 A1 [0003]
US 7165890 B2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN AW 6082 T6 [0016]

Claims

Gelenklager (1), aufweisend eine Büchse (2) aus einem ersten Material, sowie einen von der Büchse (2) umschlossenen und in der Büchse (2) drehbar angeordneten Innenring (4) aus einem zweiten Material, welches eine Beschichtung (10) auf der der Büchse (2) zugewandten Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung ist.
Gelenklager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenring (4) und der Büchse (2) ein Gleitmittel (6) angeordnet ist, wobei das Gleitmittel (6) eine Folie ist.
Gelenklager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (6) eine Kunststofffolie oder eine Kunststoff aufweisende Folie ist.
Gelenklager (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Folie (6) und der Büchse (2) eine Metallgewebeschicht (8) angeordnet ist, die mit der Folie (6) verbunden ist und die Büchse (2) kontaktiert.
Gelenklager (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Folie (6) und der Büchse (2) eine Klebeschicht (8) angeordnet ist, mit welcher die Folie (6) an die Büchse (2) klebbar oder geklebt ist.
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material bei der Herstellung des Gelenklagers (1) kaltumformbar ist, wobei das Material ein Metall oder eine metallische Legierung ist.
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, und das zweite Material Titan oder eine Titanlegierung ist.
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (10) eine DLC-Beschichtung ist.
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (4) um wenigstens zwei unterschiedliche Drehachsen relativ zur Büchse (2) drehbar ist.
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (4) als Kugelkalotte ausgebildet ist, mit vorzugsweise einer zylindrischen Durchgangsöffnung (5).
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen Aluminiumanteil von wenigstens 90% aufweist und das zweite Material einen Titananteil von wenigstens 75% und höchstens 98% aufweist.
Gelenklager (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Innenring (4) zugewandte Oberfläche der Büchse (2) aufgerauht, vorzugsweise sand- oder glasgestrahlt ist.